酪氨酸酶活性與黑素生成關系的基礎及臨床研究

聞人慶 陸偉宏 嚴春霞 張鴻鳴 綜述，何國產 審校

（金華職業技術學院醫學院生物化學教研室浙江金華321007）

酪氨酸酶活性與黑素生成關系的基礎及臨床研究

Basic and clinical research of the relationship between the activity of tyrosinase and the synthesis of melanin

聞人慶 陸偉宏 嚴春霞 張鴻鳴 綜述，何國產 審校

（金華職業技術學院醫學院生物化學教研室浙江金華321007）

黑素細胞是產生黑素的高度特異性細胞，細胞內的高爾基體可合成黑素小體，為黑素合成的場所。樹突是黑素細胞形態學的重要特征性標志，在黑素轉運中起著至關重要的作用。它形成樹枝狀分叉，朝鄰近的角質形成細胞生長，促使黑素細胞將黑素輸送給它們，增加機體色素沉著[1]。黑素是一種化學本質為蛋白衍生物的無定形小顆粒，廣泛存在于人的皮膚、毛發和眼球組織中，決定著相應部位的顏色。并吸收陽光中的紫外線，保護皮膚不受陽光照射的傷害,因此,又稱作光防護色素?？煞譃檎婧谒兀╡umelanin）和褐黑素（pheomelanin）兩類，前者在黑色毛發中大量存在，后者在褐色及紅色毛發中比率相對較高。黑素生成異常與黃褐斑、白化病等色素障礙性疾病關系密切，伴隨著人們對自身形象越來越高的追求，對黑素的相關研究日益成為醫學美容界關注的熱點問題。本文就酪氨酸酶的活性與黑素生成關系的基礎及研究綜述如下。

1 酪氨酸酶基因家族、酪氨酸酶及黑素的生成

1.1 酪氨酸酶基因家族與酪氨酸酶：酪氨酸酶基因家族成員包括酪氨酸酶基因（TYR基因）、酪氨酸酶相關蛋白1基因（TYRP1基因）和酪氨酸酶相關蛋白2基因（TYRP2基因）等。它們的序列具有高度一致性，共同作用于黑素細胞，調節黑素生成的種類和數量。

核心成員TYR基因在人類定位于11q14-q21,長度超過65kb,包括5個外顯子和4個內含子，是眼皮膚白化?、裥停∣CA1）的致病基因。其第一外顯子最長,幾乎占了全部編碼序列的一半。基因上游存在著TATA、CAAT盒等調控序列。在11p11至著絲粒區域,存在著一個TYR基因的相關序列，是第四和第五外顯子的同源序列,同源性高達97%[2]。其編碼的酪氨酸酶是由529個氨基酸殘基組成的黑素小體跨膜酶蛋白,分子量為55KD,糖基化后分子量為65～75KD。包括CuA和CuB這兩個銅原子結合位點、由18個氨基酸殘基組成的信號肽及C末端疏水的跨膜區[3]。

TYRP1基因在人類定位于9p23，是眼皮膚白化病Ⅲ型（OCA3）的致病基因。該病患者的黑素并不會完全缺失，但在數量和類型上發生了改變。其編碼的酪氨酸酶相關蛋白-1（TYRP1）是由537個氨基酸殘基組成的Ⅰ型跨膜糖蛋白，作用與酪氨酸酶相似但活性較弱[4]。酪氨酸酶相關蛋白-2 (TYRP2)與TYRP1在一級結構上非常相似,折疊后亦形成相似的三級結構。

1.2 黑素的生成：黑素的生成是一個復雜的生化過程,酪氨酸酶在其中發揮酪氨酸羥化酶、多巴氧化酶和5，6二羥基吲哚氧化酶的作用。首先，酪氨酸在酪氨酸酶的催化下生成多巴（DOPA），該反應即為黑素合成過程中限速步驟。依舊在酪氨酸酶的催化下，多巴氧化為多巴醌（DQ），后者經過多聚化反應生成無色多巴色素。無色多巴色素極不穩定，可被另一分子多巴醌迅速氧化成多巴色素。而后多巴色素在TYRP2的作用下可以羥化為5，6二羥基吲哚羧酸（DHICA），也可以脫羧為5，6二羥基吲哚（DHI）。5，6二羥基吲哚經由酪氨酸酶催化氧化為5，6-吲哚醌，為真黑素形成的前體。由5，6二羥基吲哚轉化來的真黑素為黑色的，由5，6二羥基吲哚羧酸轉化而來的真黑素為棕色，TYRP1活性增強有利于黑色真黑素的生成。真黑素與褐黑素的生成比率則主要與酪氨酸酶活性水平相關,酶活性增高促使真黑素生成增加[3]。

1.3 酪氨酸酶對于黑素合成的影響：酪氨酸酶靠跨膜肽段固定于黑素小體膜上,影響其在黑素小體膜上的定位及黑素小體腔內pH改變等，均可致黑素合成障礙。酪氨酸酶氨基末端的信號序列對于其正確定位至關重要，突變可能導致的信號肽消失引起酪氨酸酶的錯誤折疊并迅速降解。同時，銅原子和酶蛋白的結合對于酶發揮催化功能也具有非常重要的作用，一個銅原子與酶的結合有助于酶與另一個銅原子的結合。據對眼皮膚白化病的致病突變研究顯示，致病的無義突變和移碼突變相對隨機地分布于酪氨酸酶基因的編碼區,而錯義突變的分布則明顯呈現出5個簇集區。除CuA、CuB結合區外,其他3個分別位于CuA與氨基末端之間、CuA與CuB之間、CuB與TM區域之間[5]。據此推測致病的錯義突變或者影響了酶與Cu原子的結合，或干擾酶與底物的結合,從而影響酪氨酸酶活性。有些突變還可能引起酶蛋白生成過程的分選異常,致使蛋白多肽提前降解,黑素小體內的酪氨酸酶活性大幅度降低甚至消失[3]。在非黑素細胞，通過增加胞內細胞器的pH值，酪氨酸酶從內質網到達高爾基體進行糖化加工，然后由運轉囊泡攜帶至Ⅱ期黑素體[6]。將正常的和突變的TYR基因在COS-7細胞中表達,發現突變后的基因產物并不能象野生型那樣通過內質網移行入黑素小體,而是滯留在內質網。而內質網內的監控機制對蛋白質的微小異常高度敏感,酪氨酸酶微小的改變都可能導致降解,使酶活性大幅度的降低甚至消失，致黑素的生成障礙[7]。研究表明,至少部分TYR基因的錯義突變通過引起酪氨酸酶的成熟異常使黑素的合成發生障礙,進而引起眼皮膚白化病。還有研究顯示突變的酪氨酸酶在內質網中與分子伴侶結合延遲,不能正常折疊因而無法輸出[8]。

TYRP1對黑素合成初期的酪氨酸酶發揮羥化酶和多巴氧化酶活性有明顯的促進作用，是決定不同人種黑素生成及分布的重要因素。TYRP2則具有加速黑素生成作用。同時，酪氨酸酶活性在TYRP1和TYRP2存在時更加穩定，表明兩者對維持酪氨酸酶在黑素小體膜上的穩定具有重要作用。

2 黑素與疾病及美膚

各種因素都可能通過改變酪氨酸酶活性影響黑素的合成。探究這些影響因素與皮膚等處色素沉著之間的關系，對于闡明某些色素障礙性疾病的發病機制，預防其發生或開展有效的臨床治療具有非常重要的指導意義。

2.1 黑素生成過多：在我國群眾生活水平提高的同時，越來越多的人尤其是女性開始密切關注自身皮膚的美白狀況，而皮膚的色素沉著等亞健康狀態卻始終是困擾著人們的一個難題。黃褐斑是多發生于顴頰部的一種色素沉著性疾病，亞洲人發病率很高，為基底層黑素顆粒增多所致。黑素細胞痣即日常所說的痣、雀斑、老年斑、甚至黑色素細胞瘤等也都是人體黑素生成過多的臨床表現。過量使用激素或長期接觸重金屬離子可刺激皮膚角質形成細胞產生一系列炎癥細胞因子，諸如前列腺素、干細胞因子、一氧化氮等都可加重皮膚色素沉著[9-11]。此外，勞累、緊張焦慮及睡眠不足時，垂體分泌大量促黑細胞激素，增加黑素合成。女性經期、妊娠期及某些卵巢性疾病致雌激素分泌增多，酪氨酸酶催化作用增強，也可導致黑素形成增加[12]。

色素沉著的過程十分復雜，黑素的合成與轉運是最為重要的兩個環節。單位體表面積的黑素細胞呈對稱分布，頸部最多，上肢、后背次之，下肢、胸部最少，這一分布特點恰與身體各部位接受紫外線數量的梯度一致。表明紫外線照射，尤其是中波紫外線(UVB)可以促進釋放多種刺激因子，誘導黑素細胞分裂增殖，增加黑素生成，并增強黑素小體的轉運。但當UVB照射劑量到達某個臨界點后，黑素細胞又隨著照射劑量的增加而迅速降低。同時光照可致酪氨酸酶基因表達增加，促成黑素的生成。另一方面，酪氨酸酶的活性亦隨著UVB照射劑量的增加而增強,直達到某一最大照射劑量。此最大照射劑量基本與之前所述的黑素細胞達最大數量時的UVB照射劑量平行。此后,酶活性將保持高水平但不再增長。另據研究表明，對體外黑素細胞進行熱處理可增加黑素細胞及酪氨酸酶活性，促進黑素合成。證實了日光中的紅外線及激光治療等產生的熱效應對皮膚亦有類似紫外線的作用[13]。

2.2 黑素生成不足或缺如：酪氨酸酶基因突變所致的OCA1是最常見和表型嚴重的眼皮膚白化病類型?；颊呙l呈白色或淺黃色,皮膚呈白色且對紫外線格外敏感易被灼傷,患皮膚癌的可能性較正常人增高。眼黑素缺乏導致嚴重視力低下,伴屈光不正、畏光和眼球震顫等表現。可分OCA1A和OCA1B兩個亞型，是同一基因不同突變導致酶蛋白功能異常程度不同的結果。前者酪氨酸酶完全沒有活性或根本沒有酶產生，患者皮膚和毛發終生呈白色，眼部癥狀也非常嚴重。后者的基因還能編碼生成有殘存活性的酪氨酸酶,患者毛發顏色呈淺黃色或黃棕色。皮膚暴露于日光中亦可刺激黑素生成,視力癥狀也可因眼部色素的增加而略有改善[14]。

致病機制復雜的白癜風臨床研究頗為廣泛，多認為是具有遺傳素質的個體在各種內外因素的作用下，免疫、精神及神經內分泌等方面的功能紊亂所致?；颊呃野彼崦赶到y被抑制或黑素細胞遭到破壞，黑素生成障礙引發皮膚色素脫失。

3 酪氨酸酶抑制劑與激活劑的應用研究

作為黑素合成過程中的限速酶，激活或抑制酪氨酸酶的活性即可有效調節體內黑素的生成數量，達到相應的醫學及美容用途。

針對酪氨酸酶活性抑制的研究，在防紫外線輻射及美白化妝品的研發等領域具有廣闊的應用前景。過去幾十年間，大量具有酪氨酸酶抑制活性的化合物相繼被發現，但只有極少部分的化合物或提取物被成功地應用于國民產業。其中的大部分由于來源受限、安全性差或抑制活性弱等原因，并無實際的應用價值。目前市場上美白化妝品所采用的增白添加劑，諸如維生素類化合物、苯甲醛類化合物以及植物提取物，無論是天然提取還是化學合成的，均為通過抑制該酶的活性而發揮作用。傳統的抑制劑因其所固有毒副作用，目前已逐漸被植物提取物所取代，雖然植物提取物有不穩定、易失活、不易組合配方及純度不高等缺點。有文獻歸納一些多酚類物質，特別是具有2，4-二羥基取代單元的黃酮類和二苯乙烯類化合物具備成為較好的酪氨酸酶抑制劑的條件[15]。部分桑科和豆科類植物體內這類物質含量豐富，如何從這些植物中提取低毒、高效的美白活性成分已成為國內外相關領域的研究熱點和重要方向。

同理，酪氨酸酶激活劑能促進黑素的合成。相關研究不僅能為闡明黑素缺失性疾病的發病機制提供理論支持，也可為尋找相關疾病的治療藥物奠定基礎。國外曾見十二烷基磺酸鈉、苯甲醇和絲氨酸蛋白酶對酪氨酸酶有激活作用的報道。國內的研究已證實從中藥補骨脂中提取得到補骨脂素對酪氨酸酶有一定的激活作用[16]。中醫治療白癜風的有效方劑滋補肝腎方含藥血清對黑素細胞酪氨酸酶活性有正向的調節作用,并可促進TYRP1 mRNA,TYR mRNA及蛋白的表達,這可能是滋補肝腎方臨床治療白癜風的機理之一[17]。王建華等[18]發現丹參、何首烏等10種中藥對酪氨酸酶有著不同程度的激活作用，也已將這一研究結果應用于白癜風患者的臨床治療。楊慧蘭等[19]用桃仁、紅花、赤芍、丹參、丹皮等成分合成的復方中藥“白癜沖劑”，能提高酪氨酸酶mRNA的表達，增加黑素合成，臨床治療白癜風療效明顯。最新報道，有學者[20]從中醫治療白癜風的方劑中篩選其中的45味進行相關的酪氨酸酶活性影響實驗，顯示有21種對酪氨酸酶有一定的激活作用，其中以女貞子的作用最明顯。

酪氨酸酶抑制劑和激活劑作為皮膚美白產品及黑素缺失性疾病的臨床用藥，將是相關領域的重點研究對象，天然來源的中藥具有廣闊的應用前景。后續的研究有必要進一步對其中有效成分進行分離純化，驗證其中有效化學成分，著重將增效減毒作為重點研發方向，明確其應用價值。

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編輯/李陽利

2014-10-09

2014-11-28